DE L ACOUSTIQUE PHYSIOLOGIQUE Toutes les voix sont différentes et les perceptions musicales le sont tout autant. L acoustique physiologique concerne l étude de la voix et de l appareil phonatoire, ainsi que celle de l appareil auditif. Il s agit de relier la physique à la physiologie, en faisant le lien entre les caractéristiques du son et sa perception, entre la structure de l appareil phonatoire et la production de l onde acoustique, et entre la structure de l oreille et la réception d un son. Document 0 : Quelques définitions Un son est émis à partir d un objet vibrant. Une caisse de résonance permet d amplifier un son, voire de le moduler. La fréquence fondamentale f du son émis par une corde tendue entre deux points fixes dépend de sa longueur L, de sa tension F et de sa masse linéique µ selon la formule : f = en unité S.I (système international). Les ondes acoustiques de hautes fréquences sont plus vites amorties au cours de leur propagation dans un milieu matériel car les vibrations des molécules étant plus rapides, il y a perte d énergie acoustique par frottement sous forme de transfert thermique. Les ondes de hautes fréquences se propagent donc moins loin que les ondes de basses fréquences. M.Meyniel 1/5
I. EMISSION D UN SON PAR L HOMME. Document 1 : La voix L appareil phonatoire humain (figure ci-contre) est à la fois un Instrument à vent et un instrument à cordes, comportant plusieurs zones aux fonctions différentes. La tension des cordes vocales est assurée par les muscles circothyroïdiens. amplitude 1 1 t (s) cordes vocales accolées cordes vocales écartées accolement arrêt écartement passage Mouvement des cordes Ecoulement de l air par la glotte 1. Attribuer à chacune des fonctions ci-après les organes correspondants et définir en quelques mots leur rôle : source de courant d air ; source des vibrations sonores ; caisse de résonance. 2. Quelles caractéristiques du son dépendent de l amplitude des vibrations des cordes vocales? de leur fréquence? 3. Formuler des hypothèses sur la manière dont une même personne peut produire différents sons, en particulier comment elle peut changer : - la fréquence de vibration de ses cordes vocales ; - l amplitude de vibration de ses cordes vocales ; - le timbre de sa voix. 4. Entre les hommes et les femmes, lesquels ont les cordes vocales les plus grandes? Justifier. 5. Quelles parties de l appareil phonatoire participent à la modulation de la voix? Document 2 : Les timbres de la voix Brancher un microphone à une interface d acquisition reliée à un ordinateur. Enregistrée les signaux sonores des voyelles a, e, i, o, u, é, è, in, un, chantées à la même hauteur. Avec le logiciel d acquisition, visualiser le signal temporel puis le spectre en fréquences de chaque son. Faire chanter le même son par des personnes différentes. 6. Noter les fréquences des premiers pics de chaque spectre. 7. Comparer les signaux temporels et les spectres en fréquence et indiquer les similitudes et les différences entre les sons chantés. 8. La fréquence de vibration des cordes vocales change-t-elle en fonction de la voyelle? 9. Quelles parties de l appareil phonatoire sont responsables des différences entre les voyelles? 10. Quelles différences apparaissent lorsque le même son est chanté à la même hauteur : par un garçon et par une fille? par deux personnes du même sexe? doucement puis fortement? M.Meyniel 2/5
II. RECEPTION D UN SON PAR L HOMME. Document 3 : L appareil auditif de l Homme L oreille est l organe de l audition qui nous permet d entendre les bruits environnants, de communiquer avec d autres personnnes, d apprécier la musique et de nous aider à nous orienter dans l espace. Cochlée saine Cochlée endommagée La cochlée est l organe en forme de coquille d escargot où l onde acoustique est convertie en signal électrique envoyé au cerveau. Une exposition prolongée à des bruits de fortes amplitudes (à partir de 85 db) peut endommager l oreille de manière irréversible et provoquer des surdités. Les lésions de l oreille ont souvent lieu au niveau des cellules ciliées de la cochlée, cellules qui permettent de percevoir les différentes fréquences sonores. 1. Associer à chaque description ci-dessous une partie de l oreille représentée dans le document 3 : - membrane vibrant sous l action des ondes acoustiques dans l air ; - partie cartilagineuse souple qui collecte les sons ; - fibres nerveuses (environ 50 000) conduisant l information au cerveau sous forme de signaux électriques à la vitesse de 5,0 m.s -1 ; - tuyau externe conduisant le son ; - amplificateur mécanique de vibration ; - cavité remplie d un liquide et tapissé de cellules bougeant au passage d une onde. 2. Estimer la durée, en millisecondes, qu il faut au signal électrique pour parcourir les 10 cm du nerf auditif qui séparent la cochlée du cortex cérébral. 3. A l aide du document 0, justifier que les fréquences élevées (supérieures à 5 khz) soient perçues par les cellules ciliées situées à l entrée de la cochlée. 4. En déduire les premières fréquences sonores à ne plus être audibles après détérioration de la cochlée. 5. Le niveau sonore moyen autorisé est limité à L b = 100 db pour les baladeurs et à L disco = 105 db pour les discothèques. Cela signifie-t-il que ces niveaux soient sans danger? Justifier d après le texte. M.Meyniel 3/5
Document 4 : Le niveau d intensité sonore 20 3 000 20 000 L oreille humaine normale perçoit des f sons dont les fréquences sont comprises infrasons sons audibles ultrasons (Hz) λ entre 20 et 20 000 Hz. (m) 17 sensibilité maximale 0,017 de l oreille Pour l oreille humaine, un son est perceptible si l intensité sonore est comprise entre 10-12 (seuil d audibilité) et 25 W.m -2 (seuil de douleur). L intensité sonore caractérise la puissance énergétique reçue par l oreille et s exprime en W.m -2. Or cette sensation physiologique n est pas proportionnelle à cette intensité sonore. En effet, lorsque l on assiste à un concert, les intensités sonores dues à chaque instrument s ajoutent, mais le son ne paraît pas proportionnellement plus fort. C est pourquoi, on définit une nouvelle grandeur liée à la sensibilité de l oreille humaine qui utilise une échelle logarithmique est aisée à exploiter : le niveau sonore L (level). Le niveau d intensité sonore est défini par la relation : L = 10.log ( ) avec I 0 = 1,0.10-12 W.m -2 L s exprime en décibel (db). (seuil d audibilité) Le niveau sonore varie entre 0 (seuil d audibilité) et 120 db (seuil de douleur) et se mesure avec un sonomètre. 6. A l aide du document 4 et sans calculatrice, déterminer l intensité sonore I b correspond au niveau sonore moyen maximal autorisé pour les baladeurs. 7. A l aide d une recherche documentaire, indiquer les différents moyens utilisés pour pallier les problèmes de surdité liés à la cochlée. M.Meyniel 4/5
CORRECTION : De l acoustique physiologique I. EMISSION D UN SON PAR L HOMME. 1. La source de courant d air est constituée par les poumons qui vont amener le souffle qui permet de faire vibrer les cordes vocales. La source des vibrations sonores correspond aux cordes vocales. Elles permettent de générer l onde sonore émise. La bouche (et un peu la glotte) joue le rôle de caisse de résonance qui permet alors d amplifier le son émis par les cordes vocales pour qu il puisse être perçu. 2. Tout simplement, l amplitude des vibrations des cordes vocales va influer sur l amplitude du son, tout comme leur fréquence va fixer celle du son émis. 3. La fréquence de vibration de ses cordes vocales peut être modifiée grâce aux muscles circo-thyroïdiens. Ainsi, on joue sur la tension des cordes vocales (cf doc. 1) ce qui va faire varier la fréquence fondamentale du son (cf doc. 2). L amplitude de vibration de ses cordes vocales peut varier selon le débit d air traversant les cordes vocales qui vont alors varier plus ou moins amplement ce qui se répercutent sur l amplitude du son. Pour changer le timbre de sa voix, il faut jouer sur les deux paramètres cités précédemment : les muscles et le débit d air. 4. Les femmes présentent une voix plus aigüe que les hommes en général. D après le doc. 0, la fréquence est inversement proportionnelle à la longueur des cordes vocales ; celles des femmes doivent alors être plus courtes. 5. La modulation de la voix est permise par la langue, la bouche, les lèvres et le nez aussi. 6. 7. On note les mêmes fréquences pour les harmoniques observés et donc le même fondamental. Cependant, on observe que les amplitudes relatives des harmoniques diffèrent d un son à l autre. Il en va de même pour l attaque, le corps et l extinction du signal sonore. 8. Les voyelles prononcées présentant le même fondamental, la fréquence de vibration des cordes vocales est donc la même. 9. La distinction des voyelles ne se fait pas au niveau des cordes vocales mais de l appareil phonatoire et plus particulièrement avec les lèvres et les langues. 10. Le même son chanté à la même hauteur doucement puis fortement présente des harmoniques et un signal avec des amplitudes plus importantes dans le second cas. par un garçon et par une fille? par 2 personnes du même sexe? II. RECEPTION D UN SON PAR L HOMME. 1. Association d une description à une partie de l oreille : - membrane vibrant sous l action des ondes acoustiques dans l air : le tympan ; - partie cartilagineuse souple qui collecte les sons : les osselets (marteau/enclume/étrier) ; - fibres nerveuses (environ 50 000) conduisant l information au cerveau sous forme de signaux électriques à la vitesse de 5,0 m.s -1 : le nerf auditif ; - tuyau externe conduisant le son : le conduit auditif ; - amplificateur mécanique de vibration : le pavillon ; - cavité remplie d un liquide et tapissé de cellules bougeant au passage d une onde : la cochlée. 2. => 20.10-3 s = 20 ms 3. D après le document 0, les ondes sonores de hautes fréquences sont plus vites amorties au cours de leur propagation, phénomène dû à une perte énergétique plus importante par frottement dans le milieu traversé. Les hautes fréquences ne se propagent donc pas très loin et doivent alors être détectées dès le début notamment dès l entrée de la cochlée. Après, elles seront trop amorties pour être encore décelées par les cils. 4. Après détérioration de la cochlée, on note que les cellules ciliées à l entrée sont endommagées. Or, nous venons de préciser que ces cellules permettent de détecter les hautes fréquences avant qu elles ne soient trop amorties. Si ces cils sont abîmés alors les hautes fréquences ne sont plus perçues, plus audibles. 5. D après le document 3, les lésions sont dues, certes au l intensité sonore élevée, mais aussi à la durée d exposition. Plus ce temps s allonge, plus le risque d endommagement de l oreille est grand. 6. D après le document 4 : => I b = I 0. 10 L/10 = 1,0.10-12 10 100/10 = 10-2 W.m -2 7. Il existe différents moyens pour pallier les problèmes de surdité liés à la cochlée : des implants cochléaires artificielles, des sonotones externes ou internes qui se basent sur le même fonctionnement que les microphones transition M.Meyniel 5/5